宽温域温差发电装置中梯度热电材料与界面连接的研究

【摘要】：当今社会资源紧缺、能源浪费和环境污染现象日趋严重，温差发电技术，这种可以实现热能到电能直接转换的绿色新能源技术迅速成为全世界的研究热点。本文针对汽车尾气废热回收宽温域梯度温差发电装置中的关键科学与技术问题展开相关研究工作，优化了适用于300~800K的梯度热电材料的制备工艺；利用纳米银膏低温烧结技术实现了中温区热电材料与铜电极，中、低温区热电材料相互间的良好连接，并掌握了连接界面的结构与成分在时效过程中的演变规律；建立了适用于300~680K的梯度温差发电单体模型，并分析了工况对温差发电单体输出功率等性能参数的影响。本文的主要创新性结论如下： （1）提出了基于机械合金化（MA）和放电等离子烧结方法（SPS）制备P型Bi0.5Sb1.5Te3材料的新工艺，新工艺下获得的Bi0.5Sb1.5Te3材料在120℃左右的无量纲热电优值可以达到1.8，约为传统商用Bi0.5Sb1.5Te3材料ZT值的1.6倍。 （2）设计了特定含量的Cu对Bi0.5Sb1.5Te3材料进行掺杂，发现载流子浓度和缺陷浓度的上升可以大幅提升Bi0.5Sb1.5Te3材料的电导率至2×105S/m，为无掺杂样品最高电导率的5~10倍，同时使最高ZT值对应的温度由无掺杂时的100℃提升至150℃，提高了Bi0.5Sb1.5Te3材料在100~200℃温区应用的潜力。 （3）结合SEM、EDS、XRD和纳米压痕法对以Si-Ge体系为代表的脆性材料体系的机械合金化过程进行了分析表征，发现Si-Ge脆性材料体系的合金化存在硬质Si粒子向Ge基体中嵌入的现象，同时存在Ge粒子在硬质Si粒子表面包覆的现象；压痕实验结果表明，随着合金化程度的提高，块体材料的弹性模量降低，相应材料的塑性变形程度提高。 （4）采用纳米银膏低温烧结技术可以实现中温区热电材料P型AgSbTe2/Cu电极、N型Ag0.8Pb22.5SbTe20/Cu电极、P型AgSbTe2/Bi0.5Sb1.5Te3以及N型Ag0.8Pb22.5SbTe20/Bi2Te2.7Se0.3之间的良好连接；界面时效试验结果表明，本文采用的两种热电材料表面过渡层316不锈钢层和Ni层均可有效阻止镀层两侧元素间的相互扩散，保持连接界面的热稳定性。 （5）建立并优化了用于300~680K温区的分段温差发电单体模型，当外接电阻为0.03Ω时，模型输出功率为0.53W，热电转换效率为10.21%，约为均质单体模型的1.4倍。